DE4039670A1 - Kompressionsverstaerker mit offsetkompensation in schalter/kondensator-technik (sc-technik) - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kompressionsverstärker mit einem Strom-Spannungs-Multiplizierer, mindestens einem ersten und einem zweiten SC-Verstärker und einem Rückkoppelnetzwerk, das den Ausgang eines SC-Verstärkers mit dem Stromeingang des Strom-Spannungs-Multiplizierers verbindet.

Ein Kompressionsverstärker dieser Art ist aus der europäischen Patentanmeldung EP-A-03 63 714 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kompressionsverstär­ ker der eingangs genannten Art anzugeben, die in einer Ausfüh­ rung für tiefe Frequenzen intern entstehende Offsetspannungen kompensieren und in einer Ausführung für mittlere bis hohe Frequenzen auch externe, durch das Eingangssignal hervorgerufe­ ne, Offsetspannungen kompensiert.

Die genannte Aufgabe wird durch Kompressionsverstärker mit Offsetkompensation in Schalter/Kondensator-Technik (SC-Tech­ nik) gelöst, die durch die in den Ansprüchen 1 und 2 angege­ benen Merkmale bestimmt sind. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist durch die im Unteranspruch angegebenen Merk­ male gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher er­ läutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Gesamtschaltung eines erfindungsgemäßen Kompres­ sionsverstärkers für tiefe Frequenzen und

Fig. 2 eine Gesamtschaltung eines erfindungsgemäßen Kompres­ sionsverstärkers für mittlere und hohe Frequenzen.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem in CMOS-Technologie und Schalter/Kondensator-Technik realisierten Audio-Kompres­ sionsverstärker der Hörgerätetechnik erläutert. Sie erstreckt sich jedoch auf alle Kompressionsverstärker in MOS-Technologie und SC-Technik.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäßen Kompressionsverstärkers gezeigt. Der Kompressionsver­ stärker besteht in diesem Fall aus einem Strom-Spannungs-Multi­ plizierer IU, einem ersten Verstärker V1, einem zweiten Ver­ stärker V2 und einem Rückkopplungsnetzwerk RN. Am Spannungsein­ gang 1 des Strom-Spannungs-Multiplizierers IU liegt eine Ein­ gangsspannung U_e an und am Stromeingang 8 des Strom-Spannungs- Multiplizierers wird ein Regelstrom I_P gezogen. Der Ausgang 2 des Strom-Spannungs-Multiplizierers IU ist mit dem Eingang des ersten Verstärkers V1 verbunden. Am Ausgang des ersten Verstär­ kers V1 liegt eine Ausgangsspannung U_a und der Ausgang 3 des Verstärkers V1 ist mit dem Eingang des zweiten Verstärkers V2 verbunden. Der Eingang 4 des Rückkopplungsnetzwerkes RN ist mit dem Ausgang des zweiten Verstärkers V2 verbunden. Der Aus­ gang des Rückkopplungsnetzwerkes RN ist mit dem Stromeingang 8 des Strom-Spannungs-Multiplizierers IU verbunden.

Sowohl der Strom-Spannungs-Multiplizierer IU als auch der erste Verstärker V1 und der zweite Verstärker V2 enthalten je­ weils einen Transkondukdanz-Verstärker (operational transcon­ ductions amplifier), die im folgenden OTA bezeichnet werden.

Der Strom-Spannungs-Multiplizierer von Fig. 1 besitzt zwischen der Eingangsklemme 1 und Bezugspotential V_SS eine Reihenschal­ tung aus einem Widerstand R1 und einem Widerstand R2 und bildet einen Eingangsspannungsteiler. Der nicht invertierende Eingang eines OTAs A1 ist über einen Schalter S1 mit dem Verbindungs­ punkt zwischen den Widerständen R1 und R2 und über einen Schal­ ter S2 mit Bezugspotential verbunden, wobei der invertierende Eingang des OTAs A1 sich auf Bezugspotential befindet. Der Stromeingang des OTAs A1 ist gleichzeitig der Stromeingang 8 des Strom-Spannungs-Multiplizierers IU. Der Ausgang des OTAs A1 ist über einen Widerstand R und einen Haltekondensator C_H mit Bezugspotential verbunden und stellt gleichzeitig den Aus­ gang des Strom-Spannungs-Multiplizierers IU dar. Der Verstär­ ker V1 ist als Impedanz-Wandlerstufe und zur Festlegung der Ausgangsverstärkung vorgesehen, wobei die Verstärkung durch die Wahl der Kapazitäten C_A, C_B definiert ist. Der Verstärker V1 besitzt, neben einem OTA A2, elektronische Schalter S3 . . . S6, wobei die Schalter S4 und S6 in einer ersten Taktphase a geschlossen sind und die Schalter S3 und S5 geöffnet sind. In einer zweiten Taktphase b sind die Schalter S3 und S5 ge­ schlossen und die Schalter S4 und S6 geöffnet. Die Verstärker V1 und V2 arbeiten im nichtüberlappenden Zweiphasentakt, das heißt die Ladungsvorgänge müssen nach jeder Taktphase prak­ tisch abgeschlossen sein. Sowohl beim Verstärker V1 als auch beim Verstärker V2 ist bei den OTA′s A2 und A3 kein Stromein­ gang erforderlich, da der Strom durch eine zum OTA gehörige Konstantstromquelle festgelegt ist. Der Eingang des Verstär­ kers V1 ist direkt über einen Kondensator C_A mit dem inver­ tierenden Eingang des OTAs A2 verbunden. Der invertierende Eingang des OTAs A2 ist sowohl über eine Reihenschaltung aus den Schaltern S3 und S4 als auch über eine Reihenschaltung aus dem Kondensator C_B und Schalter S5 mit Bezugspotential verbun­ den. Der Ausgang des OTAs A2 ist über eine Reihenschaltung der Schalter S6 und S5 und über eine Reihenschaltung aus einem Haltekondensator C_C und den Schalter S4 mit Bezugspotential verbunden und stellt gleichzeitig den Ausgang 3 des Verstär­ kers V1 dar. Der Verstärker V1 unterscheidet sich in seiner Struktur vom Verstärker V2 nur dadurch, daß er keine Schalter in der Eingangsleitung und zwischen Eingangsleitung und Be­ zugspotential besitzt, da diese in den Strom-Spannungs-Multi­ plizierer IU verlagert sind. Der Verstärker V2 besitzt aller­ dings nur eine in ihrem Wert festgelegte Haltekapazität C_F und zwei weitere Kapazitäten C_D und C_E, die beispielsweise durch Hinzuschalten von Teilkapazitäten, in ihrem Wert variierbar sind und somit eine variable Verstärkung ermöglichen. Eine Verstärkung ist hier im weitesten Sinne aufzufassen, das heißt auch Verstärkungsfaktoren kleiner 1 sind in Betracht zu zie­ hen. Im Verstärker V2 sind elektronische Schalter S7 . . . S12 vorgesehen, deren Taktphasen a und b bezüglich der korres­ pondierenden elektronischen Schalter S1 und S2 des Strom­ spannungs-Multiplizierers IU und S3, S4, S5 und S6 des Ver­ stärkers V1 vertauscht sind. Der Eingang des Verstärkers V2 ist über eine Reihenschaltung aus dem Schalter S7 und S8 mit Dezugspotential und über eine Reihenschaltung aus dem Schalter S7 und der Kapazität C_D mit dem invertierenden Eingang des OTAs A3 verbunden. Weiter ist der invertierende Eingang des OTAs A3 sowohl über eine Reihenschaltung aus dem Schalter S9 und dem Schalter S10 als auch über eine Reihenschaltung aus dem Kondensator C_E und einem Schalter S11 mit Bezugspotential verbunden. Der Ausgang des OTAs A3 ist sowohl über eine Reihen­ schaltung aus dem Schalter S12 und dem Schalter S11 als auch über eine Reihenschaltung aus dem Haltekondensator C_F und dem Schalter S10 mit Bezugspotential verbunden und stellt den Aus­ gang des Verstärkers V2 dar. Der nichtinvertierende Eingang des OTAs A3 ist, wie beim OTA A2, mit Bezugspotential verbun­ den. Der Eingang 4 des Rückkopplungsnetzwerkes RN ist über einen Kondensator C_C und einer Reihenschaltung aus p-Kanal MOS-Transistoren T4, T2 und einem n-Kanal MOS-Transistor T1 mit einer negativen Versorgungsspannung V_SS verbunden. Das Gate des Transistors T4 ist mit der negativen Versorgungsspan­ nung V_SS, das Gate des Transistors T2 ist mit dem Verbindungs­ knoten der Transistoren T2 und T1 und das Gate des Transistors T1 ist mit einer Referenzspannung U_Ref verbunden. Sowohl das Gate als auch der Drain-Anschluß des Transistors T3 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den Transistoren T4 und T2 und der Source-Anschluß des Transistors T3 ist mit einer positiven Versorgungsspannung V_DD verbunden. Ein Verbindungspunkt 9 zwi­ schen dem Kondensator C_C und dem Transistor T4 ist mit dem Gate eines p-Kanal MOS-Transistors T5, die positive Versor­ gungsspannung V_DD mit dem Source-Anschluß des Transistors T5 und der Drain-Anschluß des Transistors T5 über einen, beispiels­ weise nicht auf einem Chip befindlichen, Kondensator C_Ext mit Bezugspotential verbunden. Zwischen der positiven Versorgungs­ spannung V_DD und der negativen Versorungsspannung V_SS befindet sich eine Reihenschaltung aus einem p-Kanal MOS-Transistor T7 und einem n-Kanal MOS-Transistor T6 und eine Reihenschaltung aus einem p-Kanal MOS-Transistor T8 und einem n-Kanal MOS-Tran­ sistor T9, wobei die Source-Anschlüsse der Transistoren T6 und T9 mit der negativen Versorgungsspannung V_SS und die der Tran­ sistoren T7 und T8 mit der positiven Versorgungsspannung V_DD verbunden sind. Die beiden Gates der Transistoren T7 und T8, der Drain-Anschluß des Transistors T7, der Drain-Anschluß des Transistors T6, der Drain-Anschluß des Transistors T5 und die Kapazität C_Ext sind über einen Knoten 10 verbunden. Das Gate des Transistors T6 ist mit einer Klemme 6, an der die Refe­ renzspannung U_Ref anliegt, verbunden. Das Gate des Transistors T9 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den Transistoren T9 und T8 und dem Gate eines n-Kanal MOS-Transistors T10 verbun­ den, wodurch ähnlich wie bei den Transistoren T8 und T7 eine Stromspiegelschaltung gebildet ist. Der Source-Anschluß des Transistors T10 ist mit der negativen Versorgungsspannung V_SS und der Drain-Anschluß des Transistors T10 ist mit dem Ausgang des Rückkopplungsnetzwerkes RN verbunden.

Der Strom-Spannungs-Multiplizierer eines Kompressionsverstär­ kers ohne Offsetkompensation hätte anstelle des Schalters S1 eine feste Verbindung und der Schalter S2 würde ebenfalls feh­ len. Nimmt man nun der Einfachheit halber an, daß die Klemme 1 mit einer Eingangsspannung U_e = 0 versorgt wird, so entstünde am Ausgang 2 des Strom-Spannungs-Multiplizierers infolge der Offsetspannung, eine Ausgangsspannung U₀ ungleich Null. Befän­ de sich der S2, wie üblich, zwischen dem Ausgang 2 und Bezugs­ potential, so würde die Kapazität C_A, aufgrund der virtuellen Masse am invertierenden Eingang des OTAs A2, in einer Taktpha­ se a völlig entladen. Würde sich nun der Schalter S1, wie üb­ lich, unmittelbar am Eingang des SC-Verstärkers V1 befinden, so würde in einer Taktphase b eine Ladungsmenge in den SC-Ver­ stärker V1 fließen, die dem Produkt aus der Ausgangsspannung U₀ und der Kapazität C_A entspricht. Die eingeflossene Ladungs­ menge würde am Ausgang 3 des SC-Verstärkers V1 eine Ausgangs­ spannung erzeugen, die zum Begrenzen des SC-Verstärkers V2 führen kann.

Im Strom-Spannungs-Multiplizierer IU des erfindungsgemäßen Kompressionsverstärkers wird jedoch in der Taktphase a der nichtinvertierende Eingang des OTAS A1 über den Schalter S1 mit Bezugspotential verbunden, wodurch sich am Ausgang 2 eine Ausgangsspannung U₀ nur aufgrund der Offsetspannung des OTAs A1 einstellt und die Kapazität C_A auf diese Ausgangsspannung U₀, für eine folgende Taktphase b, vorlädt. Nimmt man nun wieder, zum besseren Verhältnis, die Eingangsspannung U_e = 0 an, so stellt sich am Ausgang 2 wieder eine Ausgangsspannung U₀ nur aufgrund der Offsetspannung ein. Da die Kapazität C_A aber bereits auf diese Spannung vorgeladen ist, findet kein Ladungsfluß in die Kapazität C_A statt. Hierdurch ist die Ausgangsspannung am Ausgang 3 des SC-Verstärkers V1, trotz der Offsetspannung beim OTA A1, im stationären Zustand gleich Null und damit eine Offsetkompensation erreicht. Ist die Eingangs­ spannung U_e ungleich Null, so erfolgt die Offsetkompensation in gleicher Weise, da die Eingangsspannung U_e nur additiv überlagert wird.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kompressionsverstärkers für mittlere und hohe Frequenzen ge­ zeigt. Der Kompressionsverstärker besteht in diesem Fall aus einem Strom-Spannungs-Multiplizierer IU′, einem SC-Hochpaß­ filter F, einem Verstarker V2 und einem Rückkopplungsnetzwerk RN. Am Spannungseingang 1 des Strom-Spannungs-Multiplizierers IU′ liegt eine Eingangsspannung U_e an und am Stromeingang 8 des Strom-Spannungs-Multiplizierers wird ein Regelstrom Ip ge­ zogen. Der Ausgang 2 des Strom-Spannungs-Multiplizierers IU′ ist mit dem Eingang des SC-Hochpaßfilters F verbunden. Am Aus­ gang des SC-Hochpaßfilters F liegt eine Ausgangsspannung U_a und der Ausgang 3 des SC-Hochpaßfilters F ist mit dem Eingang des Verstärkers V2 verbunden. Der Eingang 4 des Rückkopplungs­ netzwerkes RN ist mit dem Ausgang des Verstärkers V2 verbun­ den. Der Ausgang des Rückkopplungsnetzwerkes RN ist mit dem Stromeingang 8 des Strom-Spannungs-Multiplizierers IU′ verbun­ den.

Sowohl der Strom-Spannungs-Multiplizierers IU′ als auch das SC-Hochpaßfilter F und der Verstärker V2 enthalten jeweils einen Transkondukdanz-Verstärker (operational transconduc­ tions amplifier), die im folgenden als OTA bezeichnet werden.

Der Strom-Spannungs-Multiplizierer IU′ entspricht dem Strom- Spannungs-Multiplizierer IU aus Fig. 1 bis auf das Fehlen der Schalter S1 und S2, wobei der Schalter S1 durch eine feste Ver­ bindung ersetzt ist. Der SC-Verstärker V2 und das Rückkoppel­ netzwerk RN sind mit den entsprechenden Komponenten von Fig. 1 identisch, nur der SC-Verstärker V1 von Fig. 1 ist in Fi­ gur 2 durch einen SC-Hochpaßfilter F ersetzt. Der Ausgang 2 des Strom-Spannungs-Mulitplizierers IU′ ist dabei über eine Reihenschaltung aus einem Schalter S1′ und einem Kondensator C_A mit dem invertierenden Eingang eines OTAs A2 verbunden, wo­ bei der Schalter S1′ in einer Taktphase a geschlossen ist. Der Ausgang des OTAs A2 ist über einen ersten Rückkoppelkon­ densator C_B mit dem invertierenden Eingang des OTAs A2 ver­ bunden und stellt gleichzeitig den Ausgang 3′ des SC-Hochpaß­ filters F dar. In einer Taktphase a ist über Schalter S4′ und S6′ eine Kapazität C_C zur Kapazität C_B parallel schaltbar. In einer weiteren Taktphase b ist durch das Öffnen der elektro­ nischen Schalter S4 und S6 die zweite Rückkoppelkapazität C_C von der ersten Rückkoppelkapazität C_B trennbar und die zweite Rückkoppelkapazität C_C durch weitere elektronische Schalter S3′ und S5′ an beiden Anschlüssen mit Bezugspotential verbind­ bar. Auch in diesem Ausführungsbeispiel arbeitet der erfindungs­ gemäße Kompressionsverstärker im nichtüberlappenden Zweiphasen­ takt, das heißt die Ladungsvorgänge müssen nach jeder Taktpha­ se praktisch abgeschlossen sein.

In einer Taktphase a sind die Schalter S1′, S4′ und S6′ ge­ schlossen und die Schalter S3′ und S5′ geöffnet. Aufgrund der virtuellen Masse am invertierenden Eingang des OTAs A2 wird ;die Kapazität C_A auf die Eingangsspannung U₀ aufgeladen, die in die Kapazität C_A fließende Ladungsmenge, die sich aus dem Produkt aus der Kapazität C_A und der Differenz aus der momen­ tanen Eingangsspannung U₀ und Eingangsspannung in der unmit­ telbar vorhergehenden Taktphase a ergibt, fließt dabei auch in die Parallelschaltung der Rückkoppelkapazitäten C_B und C_C und bewirkt eine entsprechende Ausgangsspannung U_a. Werden jetzt, in einer unmittelbar folgenden Taktphase b, die Schal­ ter S4′ und S6′ geöffnet, so stellt die Rückkoppelkapazität C_B eine Haltekapazität dar, die die Ausgangsspannung U_a in dieser Taktphase konstant hält. Damit sich aufgrund des neuen Ver­ stärkungsverhältnisses C_A/C_B keine andere Ausgangsspannung U_a einstellt muß hierzu auch der Schalter S1′ geöffnet werden. In der Taktphase b sind die Schalter S3′ und S5′ geschlossen, wo­ durch die Rückkoppelkapazität C_C entladen wird. Die Kapazität C_A bleibt dabei jedoch auf dem Spannungswert U_a aufgeladen. Ändert sich nun die Eingangsspannung U₀ nicht (Gleichspannung), so kann während neuer Taktphasen a keine Ladung in die Kapa­ zität C_A mehr fließen und der Ausgang 3′ des SC-Hochpaßfilters F erhält im stationären Zustand die Ausgangsspannung U_a = 0. Besitzt die Eingangsspannung U₀ einen Wechselspannungsanteil (Nutzsignal), so kann Ladung in die Kapazität C_A fließen und am Ausgang 3′ ergibt sich eine Ausgangsspannung U_a ungleich 0. Im z-Bereich erhält man folgende Übertragungsfunktion:

Durch die Einführung einer Frequenzvariablen p′ = (1-z^-1)/T läßt sich die Übertragungsfunktion eines entsprechenden kon­ tinuierlichen Hochpasses wie folgt berechnen:

T stellt dabei die Taktperiode dar und ist so zu wählen, daß das Abtasttheorem bzw. Nyquist-Kriterium erfüllt ist.

Die erfindungsgemäßen Kompressionsverstärker können beispiels­ weise in einer Drei-Kanal-Hörgeräteschaltung eingesetzt wer­ den, wobei ein Kompressionsverstärker für tiefe Frequenzen und zwei Kompressionsverstärker für mittlere und hohe Frequenzen parallel geschaltet sind. Die Ausgangsspannung U_a kann dabei durch weitere SC-Verstärker weiter verstärkt werden. Mit der Weiterverstärkung kann eine Korrektur der Gruppenlaufzeitver­ schiebung bei hohen Frequenzen dadurch erreicht werden, daß die Taktphasen a und b bei den elektronischen Schaltern für die Rückkoppelkondensatoren im nachgeschalteten SC-Verstärker vertauscht werden.

Claims (3)

1. Kompressionsverstärker mit einem Strom-Spannungs-Multipli­ zierer (IU), der einen ersten Verstärker (A1) mit einer, durch einen Regelstrom (I_p) regelbaren Verstärkung besitzt, wobei ein Eingang des ersten Verstärkers (A1) in einer Taktphase (a) über einen elektronischen Schalter (S2) mit Bezugspotential und in einer weiteren Taktphase (b) über einen weiteren elek­ tronischen Schalter (S1) mit einer aus einer Eingangsspannung (U_e) erzeugbaren Spannung verbindbar ist und ein Ausgang des Verstärkers (A1) gleichzeitig einen Ausgang (2) des Strom-Span­ nungs-Multiplizierers (IU) darstellt,
mit einem ersten SC-Verstärker (V1) an dessen Ausgang (3) eine Ausgangsspannung (U_a) verfügbar ist und der einen zweiten Ver­ stärker (A2) besitzt, wobei ein Eingang des zweiten Verstärkers sowohl in der Taktphase (a) als auch in der weiteren Taktphase (b) über einen Kondensator (C_A) mit dem Ausgang (2) des Strom- Spannungs-Multiplizierers (IU) verbunden ist,
mit einem zweiten SC-Verstärker (V2), der eingangsseitig mit dem Ausgang des ersten SC-Verstärkers (V1) verbunden ist und die Ausgangsspannung (U_a) verstärkt,
und mit einem Rückkopplungsnetzwerk (RN), dessen Eingang (4) mit dem Ausgang des zweiten SC-Verstärkers (V2) und dessen Aus­ gang mit einem Stromeingang (8) des Strom-Spannungs-Multipli­ zierers (IU) verbunden ist um den Regelstrom (I_p) zu bewirken und die Verstärkung des ersten Verstärkers (A1) festzulegen.

2. Kompressionsverstärker mit einem Strom-Spannungs-Multipli­ zierer (IU′), der einen Spannungseingang (1) und einen Strom­ eingang (8) besitzt,
mit einem SC-Hochpaßfilter (F), dessen Eingang mit einem Aus­ gang (2) des Strom-Spannungs-Multiplizierers (IU′) verbunden ist und an dessen Ausgang (3′) eine Ausgangsspannung (U_a) ver­ fügbar ist, mit einem SC-Verstärker (V2), der eingangsseitig mit dem Ausgang (3′) des SC-Hochpaßfilters verbunden ist, und
mit einem Rückkoppelnetzwerk (RN), dessen Eingang (4) mit dem Ausgang des SC-Verstärkers (V2) und dessen Ausgang mit dem Stromeingang (8) des Strom-Spannungs-Multiplizierers (IU) ver­ bunden ist.

3. Kompressionsverstärker nach Anspruch 2, bei dem der SC-Hoch­ paßfilter (F) dadurch gebildet ist, daß der Eingang des SC-Hoch­ paßfilters über eine Reihenschaltung aus einem Eingangskondensa­ tor (C_A) und einem elektronischen Schalter (S1′) mit dem inver­ tierenden Eingang des Verstärkers (A2) verbunden ist, wobei der elektronische Schalter (S1′) während einer Taktphase (a) geschlossen ist und während einer weiteren Taktphase (b) geöff­ net ist, daß der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers (A2) mit Bezugspotential verbunden ist,
daß sich zwischen dem Ausgang (3′) des SC-Hochpaßfilters (F) und dem invertierenden Eingang des Verstärkers (A2) eine erste Rückkoppelkapazität (C_B) befindet,
daß sich an beiden Anschlüssen der ersten Rückkoppelkapazität (C_B) jeweils ein elektronischer Schalter (S4′ und S6′) befin­ det und durch das Schließen dieser elektronischen Schalter (S4′ und S6′) während einer Taktphase (a) eine zweite Rück­ koppelkapazität (C_C) zur ersten Rückkoppelkapazität (C_B) parallel schaltbar ist,
daß in einer weiteren Taktphase (b) durch das Öffnen der elek­ tronischen Schalter (S4′ und S6′) die zweite Rückkoppelkapazi­ tät (C_C) von der ersten Rückkoppelkapazität (C_B) freischaltbar ist und daß sich jeweils zwischen den Anschlußklemmen der zwei­ ten Rückkoppelkapazität (C_C) und Bezugspotential weitere elek­ tronische Schalter (S3′ und S5′) befinden, durch die in der weiteren Taktphase (b) die beiden Anschlüsse der zweiten Rück­ koppelkapazität (C_C) mit Bezugspotential verbindbar sind.